Schneeflocke • Arkady Kuramshin • Wissenschaftliches Bild des Tages über "Elemente" • Physik, Chemie

Schneeflocke

Das Foto zeigt eine Schneeflocke, eines der Symbole des Winters und der bevorstehenden Neujahrsfeiertage. Warum hat eine Schneeflocke immer eine sechsstrahlige Symmetrie?

Bereits 1611 hat Johannes Kepler in seiner Arbeit Strena Seu de Nive Sexangula (Neujahrsgeschenk, oder Sechseckige Schneeflocken) angedeutet, dass eine Schneeflocke aus einfacheren Elementen besteht, die sich nur zu einer sechsstrahligen Symmetrie vereinigen können (vgl. C. Schneer, 1960) Snowflake und Ph. Ball, 2011. Rückblick: Auf der Sechs-Ecken-Schneeflocke). Untersuchungen zur Symmetrie führten ihn zu Spekulationen über die effizienteste Packung von Kugeln im dreidimensionalen Raum (siehe Keplersche Hypothese). Keplers bahnbrechende Arbeiten auf dem Gebiet der Symmetrie wurden später in der Kristallographie und Codierungstheorie verwendet. Kepler hatte Recht. In der Tat sind Wassermoleküle, die Eis bilden, zu einem hexagonalen Molekülkristallgitter organisiert, das letztendlich die Geometrie des Eiskristalls selbst bestimmt – Schneeflocken.

Dreieckige Schneeflocken. Bild von snowcrystals.com

Sicher, nicht alle Schneeflocken erreichen die Erde sechseckig, es gibt auch dreieckige. Sie beginnen ihre Reise als Sechsecke, aber Luftströme in der Atmosphäre können das Wachstum von drei alternierenden Strahlen beschleunigen, und der Kristall sieht wie ein dreieckiger aus.Es kann auch vorkommen, dass zwei hexagonale Kristalle aneinander haften und als eins zu wachsen beginnen, wobei sie formal eine zwölfzackige Schneeflocke bilden.

Zwölf-Strahlen-Schneeflocken. Bild von snowcrystals.com

Der japanische Physiker Ukichiro Nakaya (Ukichiro Nakaya) entdeckte als erster Wissenschaftler, dass die Form einer Schneeflocke die Geschichte ihrer Entstehung erzählen kann. 1930 wurde er für eine aussichtsreiche Position eingestellt, aber es stellte sich heraus, dass die Universität, die ihn eingestellt hatte, nicht das Geld hatte, um die Ausrüstung für die geplante Arbeit auf dem Gebiet der Röntgenanalyse zu kaufen. Nakaya gab nicht auf und begann zu tun, was seine materielle Basis erlaubte, gewöhnliche Schneeflocken zu erforschen und künstliche auf einzelne Haare eines Kaninchens zu wachsen (siehe sein Buch Schneekristalle: Natürlich und Künstlich – "Schneekristalle: Natürlich und Künstlich").

Er entdeckte, dass jede Schneeflocke ihr Wachstum mit der Bildung eines sechseckigen Prismas beginnt, das so lang wie ein facettierter Bleistift und fast flach wie hexagonale Münzen sein kann. Da die Ecken des Sechsecks durch die Umgebungsluft mehr gekühlt werden, geht die Bindung neuer Wasseranteile an die Ecken schneller und die Schneeflocke wächst ihre üblichen Strahlen.

Die Bildung von Schneeflocken: a – ein Partikel aus atmosphärischem Staub, der die Rolle eines Kristallisationszentrums spielt; b – Wasserdampf bedeckt die Oberfläche des Staubes und kondensiert an seiner Oberfläche zu einer Flüssigkeit; in der – flüssiges Wasser kristallisiert in Eis; g – Die sechs Ecken des entstehenden Eiskristalls wachsen schneller als andere Bereiche, da sie mehr gekühlt sind und schneller neue Wasseranteile aufnehmen können; d – die Bildung von zufälligen und sich nicht wiederholenden Formen beginnt – die Bedingungen können zum Wachstum neuer Sechsecke, Strahlen und so weiter beitragen.

Die Form der Schneeflocken kann sehr unterschiedlich sein. In der oberen Atmosphäre wachsen Eiskristalle bei unterschiedlichen Temperaturen und Luftfeuchtigkeit. Da ihr Wachstum unter Nichtgleichgewichtsbedingungen abläuft, können die resultierenden Kristalle vollständig von dem kanonischen Bild der Neujahrsschneeflocke abweichen. Unter bestimmten Umständen wachsen die Eissechsecke stark entlang ihrer Achse, und dann bilden sich langgezogene Schneeflocken – Schneeflockenspalten oder Nadelschneeflocken. Unter anderen Bedingungen wachsen sie senkrecht zur Achse, und dann bilden sich Schneeflocken in Form von hexagonalen Platten oder hexagonalen Sternen. Ein Wassertropfen kann zu einer fallenden Schneeflocke gefrieren – und unregelmäßige und asymmetrische Schneeflocken bilden sich.

Wie Schneeflocken entstehen (beschleunigtes Schießen)

Wie der amerikanische Physiker Caltech Kenneth Libbrecht, ein amerikanischer Physiker von Caltech, in seiner Rezension Physics of Snow Crystals (2005) zugibt, ist uns die genaue Mechanik der Bildung solcher symmetrischer Wasserkristalle – Schneeflocken – selbst auf der Qualitätsstufe unbekannt und wir waren nicht nahe daran, das Geheimnis ihrer Erscheinung im Vergleich zu den Werken von Nakai zu lösen.

Arten von Schneeflocken. Bild der Website snowsrystals.com

Während eines Schneefalls ist es fast unmöglich, ein Paar identische Schneeflocken zu finden (es ist möglich, identische Schneeflocken nur im Labor zu züchten, wo eine strengere Kontrolle der Bedingungen möglich ist). Dennoch, eine Person möchte immer Ordnung im Chaos finden, daher hat es eine lange Tradition, Schneeflocken zu klassifizieren. Im Jahr 1675 beschrieb der Deutsche Friedrich Martens 24 Arten von Schneeflocken. Im Jahr 1832, dank Daimyo Doi Toshitsura, stieg die Anzahl der Arten von Schneeflocken auf 86 (siehe sein Buch Sekka Zusetu).

"Sekka Zusetsu" – japanisches Buch über Schneeflocken, geschrieben von Doi Tositsura im Jahr 1832. Foto von digitalcollections.nypl.org

Die Klassifizierung setzt sich in unserer Zeit fort und wir können jetzt von mehr als hundert Arten von Schneeflocken sprechen – von den bekannten sternförmigen Dendriten bis zu den fusionierten sechsseitigen Säulen.Nach den Arbeiten von Nakaya wachsen die größten und schönsten dendritischen Schneeflocken, die wir mit den Neujahrsfeiertagen verbinden, in sehr feuchten Wolken mit einer Temperatur von etwa -15 ° C.

Quelle: Katrina Krämer. Erklärer: Schneeflocken // Chemiewelt, 8. Dezember 2017.

Foto von Alexey Klyatov von flickr.com. Wie man Schneeflocken filmt, können Sie in einem Interview mit dem Fotografen nachlesen.

Arkadi Kuramshin


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